1 、引言

MEMS傳感器作為微型機電系統(tǒng)的核心器件，憑借微型化、集成化、低功耗的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費電子、工業(yè)檢測、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。其核心結(jié)構(gòu)（如懸臂梁、膜片、梳齒電極等）的光學3D輪廓參數(shù)（如厚度、高度差、表面粗糙度、結(jié)構(gòu)間隙等）直接決定傳感靈敏度、響應(yīng)速度及工作穩(wěn)定性，對測量精度提出納米級嚴苛要求。傳統(tǒng)二維測量方法僅能獲取局部尺寸信息，無法完整表征MEMS微結(jié)構(gòu)的三維形貌特征，難以滿足高精度MEMS器件的質(zhì)量管控需求。3D白光干涉儀憑借非接觸測量特性、納米級分辨率及全域三維形貌重建能力，可快速精準捕捉MEMS傳感器核心結(jié)構(gòu)的完整光學3D輪廓，為MEMS制備工藝優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)支撐。本文重點探討3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學3D輪廓測量中的應(yīng)用。

2、 3D白光干涉儀測量原理

3D白光干涉儀以寬光譜白光為光源，經(jīng)分束器分為參考光與物光兩路。參考光射向固定參考鏡反射，物光經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后照射至MEMS傳感器核心微結(jié)構(gòu)表面，反射光沿原路徑返回并與參考光匯交產(chǎn)生干涉條紋。因白光相干長度極短（僅數(shù)微米），僅在光程差接近零時形成清晰干涉條紋。通過壓電陶瓷驅(qū)動裝置帶動參考鏡進行精密掃描，高靈敏度探測器同步采集干涉條紋強度變化，形成干涉信號包絡(luò)曲線，曲線峰值位置精準對應(yīng)MEMS微結(jié)構(gòu)表面各點的三維坐標。結(jié)合全域掃描拼接與微結(jié)構(gòu)輪廓擬合技術(shù)，可完整重建MEMS傳感器核心結(jié)構(gòu)的全域光學3D輪廓，精準提取厚度、高度差、表面粗糙度、結(jié)構(gòu)間隙等核心光學參數(shù)，其垂直分辨率可達亞納米級，適配微納尺度MEMS結(jié)構(gòu)的高精度測量需求。

3 、3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學3D輪廓測量中的應(yīng)用

3.1 光學3D輪廓精準重建與參數(shù)提取

針對MEMS傳感器核心微結(jié)構(gòu)（尺寸范圍1 μm-200 μm、厚度/高度差50 nm-50 μm）的光學3D輪廓測量需求，3D白光干涉儀可通過優(yōu)化測量策略實現(xiàn)精準表征。測量時，根據(jù)微結(jié)構(gòu)類型與尺寸選取適配物鏡倍率與掃描范圍，對MEMS傳感器核心區(qū)域進行高精度掃描，通過三維點云拼接技術(shù)重建完整的光學3D輪廓。采用微結(jié)構(gòu)特征提取算法，自動識別懸臂梁的厚度與撓度、膜片的平整度、梳齒電極的間隙等關(guān)鍵參數(shù)，精準計算核心指標數(shù)值。實驗數(shù)據(jù)表明，其厚度測量誤差≤2 nm，結(jié)構(gòu)間隙測量誤差≤5 nm，可有效捕捉光刻、蝕刻、鍵合等制備工藝中參數(shù)波動導致的輪廓偏差，為工藝優(yōu)化提供精準量化依據(jù)，同時支持MEMS傳感器陣列的全域均勻性評估。

3.2 形貌缺陷同步檢測

MEMS傳感器制備過程中易出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)變形、邊緣毛刺、表面劃痕、結(jié)構(gòu)粘連等缺陷，會嚴重影響傳感性能與工作穩(wěn)定性。3D白光干涉儀在重建光學3D輪廓的同時，可同步識別此類缺陷。當檢測到懸臂梁撓度偏差超過50 nm、邊緣毛刺高度超過30 nm，或梳齒電極存在粘連、表面劃痕長度超過200 nm時，可判定為不合格產(chǎn)品。通過缺陷的尺寸、位置量化分析，可追溯光刻掩膜精度、蝕刻工藝參數(shù)、鍵合溫度等制備環(huán)節(jié)的問題。例如，當出現(xiàn)梳齒電極粘連缺陷時，可反饋調(diào)整蝕刻時間或清洗工藝參數(shù)，提升MEMS傳感器成型質(zhì)量。

相較于傳統(tǒng)光學顯微鏡的二維觀測局限，3D白光干涉儀可提供完整的MEMS傳感器光學3D輪廓信息，實現(xiàn)多維度微結(jié)構(gòu)參數(shù)的精準量化；相較于原子力顯微鏡的點掃描低效率缺陷，其具備更快的全域掃描速度（單個核心微結(jié)構(gòu)測量時間≤5 s），可滿足產(chǎn)業(yè)化批量檢測需求。同時，非接觸測量模式可避免損傷MEMS傳感器脆弱的微結(jié)構(gòu)，保障樣品完整性。通過為MEMS傳感器提供全面、精準的光學3D輪廓測量數(shù)據(jù)及缺陷檢測結(jié)果，3D白光干涉儀可助力構(gòu)建嚴格的質(zhì)量管控體系，提升MEMS傳感器制備良率與性能穩(wěn)定性，為MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

大視野 3D 白光干涉儀：納米級測量全域解決方案?

突破傳統(tǒng)局限，定義測量新范式！大視野 3D 白光干涉儀憑借創(chuàng)新技術(shù)，一機解鎖納米級全場景測量，重新詮釋精密測量的高效精密。

三大核心技術(shù)革新?

1）智能操作革命：告別傳統(tǒng)白光干涉儀復(fù)雜操作流程，一鍵智能聚焦掃描功能，輕松實現(xiàn)亞納米精度測量，且重復(fù)性表現(xiàn)卓越，讓精密測量觸手可及。?

2）超大視野 + 超高精度：搭載 0.6 倍鏡頭，擁有 15mm 單幅超大視野，結(jié)合 0.1nm 級測量精度，既能滿足納米級微觀結(jié)構(gòu)的精細檢測，又能無縫完成 8 寸晶圓 FULL MAPPING 掃描，實現(xiàn)大視野與高精度的完美融合。?

3）動態(tài)測量新維度：可集成多普勒激光測振系統(tǒng)，打破靜態(tài)測量邊界，實現(xiàn) “動態(tài)” 3D 輪廓測量，為復(fù)雜工況下的測量需求提供全新解決方案。?

實測驗證硬核實力?

1）硅片表面粗糙度檢測：憑借優(yōu)于 1nm 的超高分辨率，精準捕捉硅片表面微觀起伏，實測粗糙度 Ra 值低至 0.7nm，為半導體制造品質(zhì)把控提供可靠數(shù)據(jù)支撐。?

（以上數(shù)據(jù)為新啟航實測結(jié)果）

有機油膜厚度掃描：毫米級超大視野，輕松覆蓋 5nm 級有機油膜，實現(xiàn)全區(qū)域高精度厚度檢測，助力潤滑材料研發(fā)與質(zhì)量檢測。?

高深寬比結(jié)構(gòu)測量：面對深蝕刻工藝形成的深槽結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)強大測量能力，精準獲取槽深、槽寬數(shù)據(jù)，解決行業(yè)測量難題。?

分層膜厚無損檢測：采用非接觸、非破壞測量方式，對多層薄膜進行 3D 形貌重構(gòu)，精準分析各層膜厚分布，為薄膜材料研究提供無損檢測新方案。?

新啟航半導體，專業(yè)提供綜合光學3D測量解決方案！

審核編輯 黃宇